基于“三溫模型”的風(fēng)沙采煤沉陷區(qū)檸條錦雞兒灌叢蒸騰特征研究

黨曉宏 徐立杰 高 永,3 張凱輝 馮亞亞

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400;3.中央與地方共建風(fēng)沙物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;4.內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗水利局,內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

采礦活動(dòng)不但占用和破壞大量土地,而且在礦山開采過程中還會通過粉塵、潛在的酸性廢水排放、地表徑流、滑坡、塌陷等過程再次污染及破壞周邊土地資源,并使周邊環(huán)境不斷惡化[1]。特別是礦山恢復(fù)治理區(qū)域土壤養(yǎng)分缺乏,不適當(dāng)?shù)淖o(hù)理或長期的擱置可能會永久性損害植被的健康[2]?；謴?fù)治理區(qū)植被恢復(fù)狀況是評價(jià)恢復(fù)治理工作效果的重要指標(biāo)之一。

我國95%的煤炭開采采用井工開采的方式,這種方式會導(dǎo)致礦區(qū)大面積的塌陷下沉,導(dǎo)致環(huán)境進(jìn)一步惡化,加速了土地荒漠化進(jìn)程[3]。因此,做好礦區(qū)的植被恢復(fù)工作是煤炭開采的前提。水分是礦區(qū)植被恢復(fù)的主要限制因子[4-5],探明該地區(qū)水分循環(huán)過程對植被恢復(fù)具有重要意義。植物蒸騰是干旱、半干旱地區(qū)水分散失的主要途徑,董學(xué)軍等[6]以毛烏素沙地幾種沙地灌木為研究對象,發(fā)現(xiàn)影響毛烏素沙地灌木生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)主要來自于植物蒸騰作用。常見的測量單株植物蒸騰的方法在野外條件下具有一定的局限性:“稱重法”和“光合儀法”容易對植物葉片造成損傷,影響植物正常生長;“蒸滲儀”結(jié)果最準(zhǔn)確但價(jià)格昂貴、設(shè)備笨重導(dǎo)致其難以在野外應(yīng)用[7]。一種能在野外條件下測定植株實(shí)際蒸騰耗水的方法在生態(tài)修復(fù)工作中具有重要意義。

“三溫模型”是邱國玉等提出的測算蒸散發(fā)的方法。由于該模型的核心參數(shù)是表面溫度、參考表面溫度和氣溫,故被稱為“三溫模型”,具有參數(shù)少、計(jì)算簡單、應(yīng)用范圍廣和結(jié)果精準(zhǔn)等特點(diǎn)[8-10]。紅外熱成像技術(shù)能觀測人體肉眼不可見的紅外波段的光譜,將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像[11],具有高通量性、非接觸性、高分辨等特征[12]。在應(yīng)用“三溫模型”時(shí)使用烘干植物葉片作為參考葉片[13],但是在實(shí)際測定中往往不具備烘干條件,因此研究人員常使用綠色的紙張作為參考葉片進(jìn)行觀測[14-16]。由于不同地區(qū)植物葉片種類不同,因此選擇的綠色紙張也應(yīng)有所不同,但目前對于紙張的選擇方式尚缺少普適性強(qiáng)的成果。確定適合半干旱地區(qū)植物蒸騰測定的參考葉片對于該方法在半干旱地區(qū)的推廣應(yīng)用具有重要意義。

本試驗(yàn)以毛烏素沙地采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)樹種檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)為研究對象,采用“熱紅外遙感+三溫模型”方法探究綠色便簽紙和綠色卡紙作為參考葉片時(shí)與烘干植物葉片的差別,確定適合荒漠地區(qū)植物蒸騰測量的參考葉片,同時(shí)明晰影響該區(qū)域檸條錦雞兒蒸騰的主要?dú)庀笠蜃?為非接觸、無損傷、高精度測定荒漠灌叢蒸騰速率提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗(38°46′～38°51′N,110°21′～110°23′E)。 該區(qū)域?yàn)榈湫偷拇箨懶约撅L(fēng)氣候,年均降水量為362 mm,主要集中在6～9月。氣溫年際變化較大,多年平均氣溫為7.3℃。年均潛在蒸發(fā)量為2 297.4～2 838.7 mm。風(fēng)向以西北風(fēng)為主,年平均風(fēng)速為3.3 m/s。風(fēng)沙天氣頻發(fā),年均大風(fēng)日數(shù)在50 d左右,且主要集中在4～5月。土壤以風(fēng)沙土為主,土壤發(fā)育程度較低,養(yǎng)分含量十分缺乏。由于采礦活動(dòng)影響,導(dǎo)致該區(qū)域野生植物退化嚴(yán)重,植被以人工植被為主,包括檸條錦雞兒、沙柳(Salixpsammophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、小葉楊(Populussimonii)等,零星生長有油蒿(Artemisiadesertorum)和沙米(Agriophyllum pungens)等小灌木及一年生草本植物。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 研究對象選擇

本試驗(yàn)在2019年9月25日晴朗無云的天氣下進(jìn)行,選擇毛烏素沙地東北緣采煤沉陷區(qū)典型生態(tài)修復(fù)樹種人工飛播檸條林作為試驗(yàn)區(qū),面積1 762.85 m2,海拔1 228 m。依據(jù)樹冠不受遮蔽原則,在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇7株生長健康、不受其他植株遮蔽的檸條錦雞兒作為試驗(yàn)對象(表1)。

表1 試驗(yàn)選取檸條的生長指標(biāo)Table 1 Growth indexes of caragana korshinskii was selected in the experiment

1.2.2 表面溫度拍攝

使用Fluke TiR4FT 熱成像儀(Fluke TiR4FT Infrared Camera)獲取檸條錦雞兒葉片及各參考葉片的溫度,該儀器配備320×240焦平面陣列(FPA)探測器,選用標(biāo)準(zhǔn)紅外鏡頭,視場為23°×17°,熱敏度為≤0.05℃,發(fā)射率設(shè)定為0.95。測量時(shí)段為9∶00～17∶00,步長 2 h,相鄰的兩次拍攝順序相反且鏡頭垂直于冠層且冠層頂端距鏡頭1 m以上。將參考葉片布設(shè)于無蒸騰冠層上方,參考葉片布設(shè)的傾斜角度、方位等盡量和同時(shí)觀測的植物葉片保持一致,為保證參考葉片和植物葉片受到相同的光照,拍攝前0.5 h將參考葉片布設(shè)于試驗(yàn)樣地。

1.2.3 葉片溫度提取

在FLUKE中國官網(wǎng)下載Fluke Smart View 4.3軟件提取葉片溫度,植物冠層熱紅外圖像及可見光圖像如圖1(a)、圖1(b)所示,結(jié)合圖1(a)和圖1(b)可以將圖像中的土壤及植物進(jìn)行區(qū)分,紅色區(qū)域(土壤)溫度比植被(藍(lán)色區(qū)域)高,對藍(lán)色部分進(jìn)行溫度提取,圖1(c)中白色方框代表提取一次的葉片溫度,重復(fù)提取15次,以15次的均值作為該時(shí)刻檸條灌叢的葉溫,如圖1(d)所示。

圖1 檸條的熱紅外溫度圖像及其溫度提取結(jié)果Fig.1 Results of Caragana korshinskii and temperature extraction

1.2.4 參考葉片篩選

經(jīng)過調(diào)查,卡紙和便簽紙是研究區(qū)最容易獲得的綠色紙張,因此使用上述兩種綠色紙張(卡紙葉片和便簽紙葉片均為當(dāng)?shù)匚木哂闷返曩徺I,卡紙厚0.2 mm,便簽紙厚0.1 mm)和烘干植物葉片作為參考葉片從葉片溫度和蒸騰結(jié)果兩方面進(jìn)行比較,確定適合測定該地區(qū)植物蒸騰的參考葉片。由圖2可知:便簽紙表面溫度和干葉片及卡紙葉片存在較大差異。當(dāng)便簽紙作為參考葉片時(shí),檸條在9∶00時(shí)的蒸騰速率為4.95 mm/h,與干葉片在該時(shí)刻的蒸騰速率有極顯著差異(P=0.005＜0.01)。

圖2 葉片溫度日變化Fig.2 Diurnal variation of leaf temperature

以葉片溫度變化以及計(jì)算結(jié)果作為選擇參考葉片的指標(biāo),發(fā)現(xiàn)便簽紙不適合作為檸條錦雞兒的參考葉片,當(dāng)缺乏植物烘干條件時(shí)卡紙可以作為干葉片的替代品計(jì)算植物蒸騰。

1.2.5 氣象因子測定

使用Vaisala WXT520移動(dòng)氣象站同步測定研究區(qū)氣溫、太陽輻射、空氣濕度、風(fēng)速等氣象因素,氣象數(shù)據(jù)10 min的平均值由CR200X數(shù)據(jù)采集器計(jì)算和記錄。

1.2.6 基于“三溫模型”的植物蒸騰計(jì)算

“三溫模型”原理已有不少文獻(xiàn)進(jìn)行了闡述,本研究中僅使用植被蒸騰模型,以下對其加以介紹。

當(dāng)?shù)乇肀恢脖桓采w時(shí),可以忽略土壤熱通量,植被表面的能量平衡方程可以表示為

式中,LEc為植被的潛熱通量,W/m2;Rn,c是植被吸收的太陽凈輻射,W/m2;Hc是顯熱通量,W/m2。

Hc可表示為

式中,ρ是空氣密度,為1.39 kg/m3;Cp是空氣定壓比熱(在平均空氣狀況下,其值約為1.013×10-3MJ/(kg·K);Tc是植被冠層溫度,K;Ta是空氣溫度,K;ra是空氣動(dòng)力學(xué)阻抗,s/m。其可通過參考葉片計(jì)算,參考葉片無蒸騰作用,且不會導(dǎo)致周圍環(huán)境發(fā)生顯著改變,ra計(jì)算公式如下:

式中,Tp是參考植被的冠層溫度,K;Rn,cp是參考植被吸收的凈輻射,W/m2。結(jié)合上述公式即可得到植被蒸騰的計(jì)算公式:Rn,c可以利用以下公式計(jì)算:

式中,Tr是蒸騰速率,mm/h;Rs是太陽輻射,W/m2;α是地表反照率,取值為0.22。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)氣象因子日變化規(guī)律

氣象因子為植物蒸騰提供能量,因此其影響植物蒸騰速率。由圖3可知:氣溫、太陽輻射和風(fēng)速隨著測定時(shí)間呈先升高后降低的變化趨勢,且在13∶00時(shí)達(dá)到最大值。相對空氣濕度變化則與之相反。對于氣溫而言,其波動(dòng)范圍較小,早上9∶00時(shí)氣溫最低,13∶00時(shí)氣溫最高,為23.63℃;對于太陽輻射而言,太陽輻射在13∶00時(shí)達(dá)到峰值741.07 W/m2,13∶00后太陽輻射變化幅度加快近于線性變化,17∶00時(shí)達(dá)到最小值123.16W/m2。對于風(fēng)速而言,13∶00時(shí)風(fēng)速為2.61 m/s。對于空氣相對濕度而言,9∶00時(shí)太陽輻射和氣溫較低,空氣中水分較多,濕度最高,為39.21%,隨著氣溫和太陽輻射的上升,空氣中的水分蒸發(fā),空氣濕度開始降低,在13∶00處達(dá)到最低值22.94%,15∶00后濕度上升速度加快,在17∶00時(shí)濕度達(dá)到測定時(shí)間內(nèi)第二峰值30.49%。

圖3 研究區(qū)氣象因子日變化Fig.3 Diurnal variation of meteorological factors in sample area

2.2 檸條錦雞兒灌叢蒸騰速率日變化規(guī)律與日蒸騰量

依據(jù)提取的葉溫、氣溫和太陽輻射結(jié)合“三溫模型”計(jì)算了檸條錦雞兒蒸騰速率并繪出了檸條蒸騰速率日變化曲線(圖4)。檸條錦雞兒日蒸騰速率為“單峰型”,在13∶00時(shí)達(dá)到峰值,為0.71 mm/h。 以瞬時(shí)蒸騰速率作為基礎(chǔ)對檸條錦雞兒的日蒸騰量進(jìn)行了計(jì)算,發(fā)現(xiàn)其日蒸騰量為4.64 mm。

圖4 檸條錦雞兒蒸騰速率日變化Fig.4 Diurnal variation of transpiration rate of Caragana korshinskii

2.3 影響荒漠灌叢檸條蒸騰速率的主要?dú)庀笠蜃臃治?/h3>

影響植物蒸騰作用的因素包括內(nèi)因和外因,氣象因子是影響蒸騰速率的主要外因。由表2可知:檸條錦雞兒蒸騰速率(Tr)與太陽輻射(Rs)和風(fēng)速(Vs)分別呈顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.932,0.961;Vs與Rs之間呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.938。氣溫(Ta)與相對空氣濕度(Rh)之間呈極顯著負(fù)相關(guān)。在各氣象因子中,Vs和Rs是影響檸條錦雞兒蒸騰的主要?dú)庀笠蜃印?/p>

表2 檸條蒸騰速率與氣象因子的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation between transpiration rate of Caragana korshinskii and meteorological factors

3 討 論

植物葉片溫度是環(huán)境和植物共同影響葉片能量平衡的結(jié)果。20世紀(jì)中后期以來,大量研究表明植物葉片溫度與蒸騰密切相關(guān)[17]。植物通過蒸騰作用消耗葉片吸收和產(chǎn)生的熱量,使葉片溫度維持在一定范圍內(nèi),防止葉片生理組織受損,保證植物的正常生長[18]。因此,植物蒸騰速率可以通過葉片溫度進(jìn)行計(jì)算,“三溫模型”通過引入?yún)⒖既~片的概念在溫度差方法的基礎(chǔ)上消除了難以測定的空氣動(dòng)力學(xué)阻力,使植物蒸騰的計(jì)算過程變得簡單,應(yīng)用范圍更廣[14]。

植物葉片在長期進(jìn)化過程中形成了不同的結(jié)構(gòu)來適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境。因此,在選擇參考葉片時(shí)應(yīng)因地制宜選擇適合該地區(qū)植物的參考葉片。在選取參考葉片時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮獲取的簡單性和結(jié)果的準(zhǔn)確性兩大特點(diǎn)。本試驗(yàn)本著獲取簡單的原則,選擇綠色卡紙和便簽紙作為參考葉片進(jìn)行植物蒸騰計(jì)算,但和檸條葉片相比,便簽紙厚度較薄,卡紙的厚度和檸條葉片類似。由于參考葉片不具備蒸騰降溫作用,其溫度變化主要受太陽輻射的影響,當(dāng)輻射強(qiáng)度較高時(shí),其溫度遠(yuǎn)高于植物葉片[19],不同厚度的參考葉片吸收太陽輻射的能力不同,便簽紙溫度在正午時(shí)分僅略高于葉片溫度,與卡紙和干葉片溫度相差極大,這一結(jié)果和QIU等[20]、凌軍等[21]測得的在強(qiáng)太陽輻射下干葉與植物葉的溫度差值不符。而卡紙葉片與干葉片溫度在太陽輻射較高時(shí)溫度變化極為吻合,隨著太陽輻射的減小吻合度略有降低,但計(jì)算結(jié)果不存在顯著性差異,表明卡紙可以代替干葉片進(jìn)行荒漠地區(qū)植物蒸騰速率的計(jì)算。

雖然大田試驗(yàn)證明“三溫模型”性能與其他計(jì)算蒸騰的模型性能相當(dāng),和蒸滲儀的測量結(jié)果相比較也具有高精準(zhǔn)度。但這是該方法首次應(yīng)用于檸條的蒸騰測定,計(jì)算結(jié)果尚需與他人測定結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證。光合儀可以用于樹種蒸騰間的比較[7],因此可以將該方法與光合儀法進(jìn)行蒸騰速率日變化規(guī)律的比較。本研究中檸條錦雞兒蒸騰速率日變化為“單峰型”,13∶00時(shí)蒸騰速率最大,與楊國敏[22]、邵玲玲等[23]使用光合儀測得的檸條蒸騰速率日變化一致。蒸滲儀是測定單株植物實(shí)際蒸騰量的最佳方法,但無法對研究區(qū)生長多年的檸條進(jìn)行測定,王幼奇等[24]在距研究區(qū)60 km的神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站使用稱重式蒸滲儀對檸條的蒸騰耗水進(jìn)行了測定,發(fā)現(xiàn)9月檸條日蒸騰量集中在3～5 mm,均值為3.17 mm,最大值接近6 mm,且降雨后的幾天蒸騰量明顯增加。由于試驗(yàn)開始前研究區(qū)有較大降雨(21、22日),且所測檸條錦雞兒樣叢株高大于王幼奇等[24]的試驗(yàn)對象(60 cm),因此日蒸騰量高于王幼奇等[24]測定的9月日平均蒸騰量,但計(jì)算值仍在王幼奇等[24]測得的檸條9月蒸騰量范圍。上述結(jié)果表明:采用“三溫模型+熱成像技術(shù)”方法計(jì)算檸條錦雞兒的蒸騰速率是可行的[23]。

植物蒸騰作用主要以氣孔蒸騰的方式進(jìn)行。影響氣孔蒸騰作用的因素主要為土壤水分、光照強(qiáng)度、空氣溫濕度和風(fēng)速等[25-26]。本研究發(fā)現(xiàn),影響檸條錦雞兒蒸騰速率的因素為太陽輻射和風(fēng)速。該研究結(jié)果與譚娟對4種典型植物的研究結(jié)果相悖。其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),影響典型植物蒸騰作用的因素為大氣溫度和土壤含水量。在毛烏素沙地,其光照資源非常豐富,隨著太陽輻射逐漸增強(qiáng),其大氣溫度逐漸增強(qiáng),導(dǎo)致葉片內(nèi)外蒸氣壓逐漸增大,從而增加了葉片水分蒸發(fā)速率。風(fēng)是影響植物生長發(fā)育的外部環(huán)境因子,其主要通過影響邊界層阻力影響植物蒸騰。黃磊等[27]研究表明,風(fēng)速能促進(jìn)植物蒸騰;但GRIDDINGS[28]研究表明,風(fēng)速會抑制植物蒸騰,是因?yàn)轱L(fēng)速增強(qiáng)將會導(dǎo)致植物葉片氣孔關(guān)閉。本研究結(jié)果與黃磊等[27]的研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)轱L(fēng)降低了葉片氣孔周邊的水汽濃度,導(dǎo)致其空地相對濕度降低,從而增加了水汽擴(kuò)散梯度,最終加快了植物蒸騰速率[29]。

4 結(jié) 論

本研究利用“三溫模型+熱紅外遙感”方法對不同類型參考葉片下的礦區(qū)典型生態(tài)修復(fù)樹種檸條錦雞兒的蒸騰速率進(jìn)行了測定,確定了適合毛烏素沙地荒漠植被的參考葉片,為觀測植物蒸騰作用提供了可靠的手段和思路。主要取得如下結(jié)論:

(1)研究區(qū)氣溫、太陽輻射和風(fēng)速隨著測定時(shí)間呈先升高后降低的變化趨勢,且在13∶00達(dá)到最大值;相對空氣濕度則與之相反。

(2)卡紙和干葉片作為參考葉片計(jì)算的檸條錦雞兒蒸騰速率較吻合,13∶00時(shí)均達(dá)到0.71 mm/h的蒸騰速率最大值,以卡紙作為參考葉片時(shí)檸條日蒸騰量為4.26 mm,低于干葉片的4.64 mm?？梢?綠色卡紙可以作為參考葉片計(jì)算檸條錦雞兒蒸騰速率。

(3)太陽輻射、風(fēng)速與檸條蒸騰速率分別呈顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān),表明太陽輻射和風(fēng)速是影響檸條蒸騰速率的主要環(huán)境因子。

(4)本研究野外試驗(yàn)時(shí)間較短,今后應(yīng)該結(jié)合無人機(jī)和衛(wèi)星熱紅外遙感,大范圍、大尺度觀測沉陷對蒸散的影響。